内置式引信气动发电机气压标定密封测试技术

赵芯田,李福松,郭军献,梁梦凡,马旭辉,王红丽

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

引信气动发电机利用弹药飞行过程中的气流驱动发电,安全性高、稳定性好,是广泛应用的引信物理电源之一[1]。现代武器装备发展要求其能适应各种复杂环境,如地形、温度、气压等不同变化因素[2]。研究不同气压环境对引信气动发电机性能的影响对其技术升级和发展至关重要。

内置式引信气动发电机通常置于引信头部内,在引信头部中央和外壁处开孔作为飞行中迎面气流的进气口和出气口,以驱动气动发电机工作。通过调整进/出气口的气隙结构可调控气动发电机的输出性能以满足不同使用需求,并且内置于引信体内也能保证其作用稳定,具有扩展性好、输出稳定、安全性高等特点。因此,内置式引信气动发电机受到了广泛关注。

通常的气压标定装置通过螺纹或专用连接管将气路与待标定件连接,采用标准气压表监测来进行标定[3-4]。对于内置式引信气动发电机,在其引信体内部设置了多个压力传感模块[5-6],并且在引信头部中心和侧面处分别开有驱动气动发电机的进气口、排气口等,这些结构布置特点使得采用通常连接方式的气压标定装置无法保证密封效果,极大地降低了引信气动发电机气压标定测试的准确性、范围和效率。

为此,本文结合内置式引信气动发电机的结构特点,提出一种适用的气压标定测试装置。通过结构设计解决了其密封性问题,能同时进行两发内置式引信气动发电机的正压/负压标定测试。

1 气压标定系统组成及原理

内置式引信气动发电机气压标定系统由压力传感器、信号采集电路、内置式引信气动发电机、气压室体、高精度绝压表、密封组件、高压气瓶、高压气阀、真空泵、负压气阀、直流电源、示波器等组成,如图1所示。

图1 气压标定系统原理图Fig.1 Schematic diagram of pressure calibration system

高压气瓶和真空泵分别作为标定系统的高压气源和负压起源。将高压气瓶经高压气阀接入气压室体内,使用时打开高压气阀,关闭负压气阀,把气体由高压气瓶引入气压室体内,为内置式引信气动发电机气压标定提供正压环境;真空泵经负压气阀接入气压室体,使用时打开负压气阀,关闭高压气阀,将气体从气压室体抽出,为内置式引信气动发电机气压标定提供负压环境。内置式引信气动发电机同引信体一起经密封组件固定安装于气压室体一侧;将多个压力传感器置于引信头部内,其压力探头端与引信头部相对应地与外部接通的气压测试孔接通,另一侧信号输出端通过螺纹并经塑性橡胶圈与引信内部信号采集电路连接紧密,以提高其测量准确性。采用高精度绝压表作为监测气压室体内部实际气压值的标准仪器,其量程范围为0～500 kPa,精度0.01 kPa。通过外接直流电源为信号采集电路供电,试验中不同气压环境下的压力传感器输出电压信号经信号采集电路传输至外接示波器进行记录分析。

内置式引信气动发电机气压标定装置通过外部气源接入为待标定引信气动发电机提供稳定的气压标定环境,通过循环多次测试引信气动发电机压力传感模块在不同气压环境下的输出电压与实际气压值的对应关系来进行气压标定。采用方程拟合：

P=kU+b,

(1)

式(1)中,P为标定装置内部气压值(kPa),U为压力传感器输出电压(V),k、b为方程拟合得到的气压标定系数。通过分析拟合方程的线性度来进一步评估气压标定装置的精度和可靠性[7-8]。

2 气压标定装置密封性设计

设计的气压标定装置结构如图2所示。为准确测量飞行过程中气动发电机所处环境的气压值,在引信头部开有通至内部压力传感器压力探头端的测试孔,以实时感知气压环境;压力传感器信号经内部信号采集电路从引信底部的电路接口引出。此外,在引信头部中心处设计进气口为在飞行过程中驱动内置式气动发电机工作,侧面外壁处设计排气口,以保证气动发电机的工作气路。若采用传统全密闭的气压标定装置结构,将整个引信体全部置于标定室内,虽然此时进/出口处的密封性问题不需要考虑,但引信其他部位仍存在漏气问题,使得在压力传感器处无法产生压差以致气压测量的准确性、稳定性差;并且引信底部电气接口的气密性也不易保证。因此,采用将引信体头部置于标定室体内的方式设计气压标定装置。引信头部为曲面结构,通常与弹体共形,以保持弹丸的飞行动力学特性,采用塑性密封圈及其他密封组件以保证引信头部与气压室体接触部位的密封性。对于内置式气动发电机的进/出气口,在气压室体内部采用塑性堵头将其进气口堵实,并且考虑到在负压条件下堵头松动的问题,利用顶杆和压簧部件保证在负压/正压两种条件下,气压室体内都能与引信体内部气体隔绝。

图2 气压标定装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of pressure calibration device

图2中,气压室体为两端开通的圆柱型结构,使用时将两发置有待标内置式气动发电机的引信体相向从气压室体两端插入。在引信体与气压室体的接触部分采用了塑性T型开口密封圈,并在引信体底部设计了与其尺寸匹配的压板结构,安装时通过压板将引信体与气压室体压紧,再与T型开口密封圈一起保证气压室体腔内与外部气体隔绝。气压标定装置内部设计了一个具有圆台的顶杆结构,顶杆圆台卡住压簧一端,利用压簧的压力将T型堵头一端压入引信体的中心进气口,进一步结合O型圈密封使引信体内部与气压室体腔内也气体隔绝。顶杆和压簧设计能确保在负压环境下,T型堵头仍能压紧引信体头部的中心进气口以进行负压标定测试。气压标定装备剖面结构示意图如图3所示。气压室体外壁中央处为测压表连接口,连接高精度绝压表,作为显示标定装置内部实际气压的标准监测仪器;在气压室体外壁适当位置设置两个连接口分别与高压气阀和负压气阀连接,再分别与高压气瓶/真空泵气源装置接通,通过控制高压气阀和负压气阀的开闭为标定装置内部提供正压/负压环境。压力传感器在不同气压环境下的输出信号经引信体内部的信号采集电路从引信体底部引出,采用外接示波器对其进行记录分析。

图3 气压标定装置剖面结构示意图Fig.3 The sectional structure diagram of pressure

3 试验验证

在气压标定测试3～340 kPa的范围内设置一组压力标定测试点,记录每个测试点对应的压力传感器的输出电压值和高精度绝压表气压值,通过数据拟合处理得到对应的拟合方程和标定系数,完成内置式引信气动发电机气压标定试验,试验现场如图4所示。

图4 气压标定测试试验现场图Fig.4 Barometric calibration test site

待测样机压力传感器输出电压与实际气压值的对应关系如图5所示。

图5 待测样机气压标定试验结果Fig.5 Experimental results of pressure calibration of prototype

实际气压值与压力传感器输出电压呈良好的线性关系,所标定的4发待测样机随着输出电压的增加对应的气压值均线性增大。进一步通过方程拟合得到对应的标定系数,计算结果如表1所示,可以看到拟合方程的线性相关度均可达0.999以上,表明气压标定装置的精度高、可靠性好。通过在引信体与气压标定装置的接触部位涂抹肥皂水以验证其密封性,在全部试验过程中接触部位均未产生气泡,表明气压标定装置的密封性较好。

表1 气压标定拟合结果Tab.1 The fitting results of pressure calibration

内置式引信气动发电机压力标定完成后进行气压测试验证试验,进一步验证气压标定装置的作用性能。试验验证结果如图6、图7所示,采用气压标定装置试验得到的气压值与实际值非常接近,精度均大于95%,表明该气压标定装置能够满足实际气压标定测试使用需求。

图6 气压标定装置试验验证结果Fig.6 The experimental verification results of pressure calibration device

图7 气压标定装置气压测试精度Fig.7 The accuracy of air pressure of pressure calibration device

4 结论

本文提出的气压标定装置基于内置式引信气动发电机的结构特性,采用了圆柱型气压室体结构将两发待测样机相向安装,并通过接触部分的压板以及气压室体腔内T型堵头、顶杆、压簧等部件设计解决了密封性问题,可进行正压/负压两种环境下的气压标定测试。在3～340 kPa气压标定范围内,内置式引信气动发电机压力传感器响应电压为0.002～3.648 V,与实际气压值的拟合曲线的线性度很好,均能达到0.999以上。实际气压测试试验表明气压标定装置的测试精度大于95%,其中在300.41 kPa气压下的准确度可达99.53%。该气压标定装置的精度高、可靠性好,同时操作简便、测试范围大、效率高,能够满足引信气动发电机气压标定测试需求,并且具有较大的推广应用价值。